引言

LM5177 是一款同步降壓/升壓控制器，可提供精確的反向電流限制，以便在功率級(jí)的輸入端為儲(chǔ)能系統(tǒng)充電，而輸出端由電源供電。如果系統(tǒng)電源出現(xiàn)任何中斷或故障，功率級(jí)的儲(chǔ)能元件將為系統(tǒng)提供持續(xù)運(yùn)行所需的電力。這種單芯片設(shè)計(jì)適用于許多應(yīng)用，這些應(yīng)用要求轉(zhuǎn)換器雙向運(yùn)行，并能在主電源和備用電源之間無(wú)縫轉(zhuǎn)換。例如，該設(shè)計(jì)可用于需要電源關(guān)鍵型系統(tǒng)的醫(yī)療領(lǐng)域。此外，由于功率級(jí)別可靈活擴(kuò)展，因此可與太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)高效發(fā)電。

僅當(dāng)降壓/升壓控制器處于 FPWM 模式時(shí)，備用操作才起作用。因此，要啟用 FPWM 功能，控制器的 MODE 引腳必須為高電平。否則，轉(zhuǎn)換器將以正向運(yùn)行模式（PSM 模式）運(yùn)行。在此工作模式下，備用儲(chǔ)能元件連接至 LM5177 的 V_in（有時(shí)也標(biāo)記為 V_Bat）。一旦啟用備用電源操作并且功率級(jí)輸出端電源電壓大于反饋閾值，轉(zhuǎn)換器便在輸入端以恒流為儲(chǔ)能元件充電?？梢允褂媒祲?升壓控制器的兩種不同的內(nèi)置電流限制功能（例如峰值電流限制和平均電流限制）來(lái)調(diào)節(jié)儲(chǔ)能元件的恒定充電電流。

為了調(diào)節(jié)儲(chǔ)能元件的恒壓充電，降壓/升壓控制器為客戶提供各種選項(xiàng)，例如用于在 COMP 引腳和 MODE 引腳上進(jìn)行恒壓充電的外部控制器。本應(yīng)用手冊(cè)旨在介紹如何使用 MODE 引腳上的外部遲滯控制器和 COMP 引腳上的線性恒壓控制器進(jìn)行恒壓充電。圖 1 所示為使用 MODE 引腳和 COMP 引腳上的外部控制進(jìn)行恒壓充電的方框圖。后續(xù)各節(jié)將討論這兩種恒壓充電方法。

圖 1 使用 MODE 引腳和 COMP 引腳對(duì)恒壓充電進(jìn)行外部控制

使用 MODE 引腳進(jìn)行恒壓充電

FPWM 和 PSM 模式的閾值電壓分別為 1.19V 和 0.41V。如果 MODE 引腳上的上升沿大于 1.19V，則轉(zhuǎn)換器處于 FPWM 模式，并且儲(chǔ)能元件開(kāi)始充電。同樣，如果 MODE 引腳上的下降沿低于 0.41V，則轉(zhuǎn)換器正向運(yùn)行（無(wú)備用操作），并且儲(chǔ)能元件開(kāi)始放電。MODE 引腳控制可通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)，例如使用具有外部基準(zhǔn)的比較器、微控制器等。這些設(shè)計(jì)成本高昂，并且需要復(fù)雜的電路配置。因此，為了以簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) MODE 引腳控制，我們使用 LM431 并聯(lián)穩(wěn)壓器、低功耗 PNP 晶體管和低功耗 N 溝道 MOSFET 開(kāi)發(fā)了遲滯控制器。圖 2 所示為 MODE 引腳控制器的電路圖。

圖 2 用于 MODE 引腳控制的遲滯控制器

這種設(shè)計(jì)有一些重要的考慮因素。首先，遲滯控制器的 VCC 電源電流不得超過(guò) 10mA；否則，電路會(huì)使降壓/升壓控制器的 VCC 穩(wěn)壓器過(guò)載。該設(shè)計(jì)必須確保 LM431 的最小工作電流 (1mA)。否則，器件可能會(huì)影響電路的正常運(yùn)行。要使 LM431 作為比較器準(zhǔn)確無(wú)誤地工作，陰極電壓必須高于基準(zhǔn)電壓。LM431 的基準(zhǔn)閾值電壓為 2.5V。由于電池電壓較高，分壓器的電阻組合必須具有更高的電阻，以便限制 LM431 的基準(zhǔn)電流和功率損耗。儲(chǔ)能元件必須預(yù)充電以滿足 VDET 條件，否則 LM5177 器件不會(huì)開(kāi)啟。

儲(chǔ)能元件可以是任何類型，例如電池、電容器、超級(jí)電容器等。在本應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)中，儲(chǔ)能元件是電介質(zhì)電容器。在圖 2 所示的設(shè)計(jì)中，VCC 電壓為 5V，最大 VCC 電源電流為 3mA，儲(chǔ)能元件的恒壓充電閾值為 30V?？赏ㄟ^(guò)改變分壓器電路的比值來(lái)定義恒壓充電限值。如果儲(chǔ)能電壓達(dá)到 30V，則分壓器電路的基準(zhǔn)電壓會(huì)增加至 2.5V，而 LM431 的陰極電壓會(huì)從 VCC 降低至 1.8V。

陰極電壓的降低會(huì)導(dǎo)致 PNP 晶體管的發(fā)射極至基極端子之間的正向偏置，并且隨后會(huì)導(dǎo)致發(fā)射極至集電極電壓降低。這會(huì)導(dǎo)致 N 溝道 MOSFET 的柵源電壓增加（從 0V 到 VCC），并且 MOSFET 導(dǎo)通。MODE 引腳電壓從 VCC 降低至 20mV。降壓/升壓控制器從 FPWM 模式切換到 PSM 模式，并且儲(chǔ)能元件開(kāi)始放電。放電一直持續(xù)到電池電壓達(dá)到遲滯控制的負(fù)閾值。這樣，儲(chǔ)能電壓就穩(wěn)定在 30V 左右，且 MOSFET 開(kāi)關(guān)延遲引起的遲滯較小。

使用 COMP 引腳進(jìn)行恒壓充電

內(nèi)側(cè)電壓環(huán)路誤差放大器的精確實(shí)現(xiàn)將 COMP 引腳的精確電壓反映在電感器的標(biāo)稱峰值電流值上。圖 3 顯示了 FPWM 模式下內(nèi)側(cè)電壓環(huán)路誤差放大器的控制 V/I 特性。V_{(comp, CL+)} 和 V_{(comp, CL-)} 的值分別為 1.25V 和 0.24V。而峰值電流的正負(fù)限值由峰值電流檢測(cè)電阻定義。

圖 3 峰值電流檢測(cè)電壓與 VCOMP 間關(guān)系的控制函數(shù)

當(dāng) V_(comp) 值小于 V_{(comp, CL0)} 值時(shí)，將啟用儲(chǔ)能元件充電。而當(dāng) V_(comp) 值等于 V_{(comp, CL0)} 值時(shí)，將激活儲(chǔ)能元件的恒壓充電。因此，要使用 COMP 引腳實(shí)現(xiàn)恒壓充電，需要使用閉環(huán)線性控制器。當(dāng)儲(chǔ)能元件達(dá)到所需的電壓電平時(shí)，該控制器通過(guò)電流源對(duì) COMP 引腳上的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)充電。設(shè)計(jì)的線性控制器使用 TLV431（并聯(lián)穩(wěn)壓器）和低功耗 PNP 晶體管。圖 4 中顯示了 COMP 引腳控制器的電路圖。

圖 4 用于 COMP 引腳控制的線性控制器

與 MODE 引腳控制器的設(shè)計(jì)類似，設(shè)計(jì) COMP 引腳控制器時(shí)也有一些注意事項(xiàng)。首先，COMP 引腳控制器的電源電流不得超過(guò) 10mA，設(shè)計(jì)必須確保最小 TLV431 陰極電流 (0.1mA)，并且 TLV431 的基準(zhǔn)閾值電壓為 1.24V?？刂破髟O(shè)計(jì)必須根據(jù)電源電壓的動(dòng)態(tài)特性包含一個(gè)合適的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。否則，可能會(huì)出現(xiàn)控制環(huán)路不穩(wěn)定問(wèn)題。在本設(shè)計(jì)中，我們向電路添加了 100nF 的補(bǔ)償電容。

COMP 引腳控制器的工作方式與 MODE 引腳控制器類似。當(dāng) TLV431 Vref 引腳的偏置電壓等于 1.24V 時(shí)，控制器會(huì)啟用 COMP 引腳處的電流源。線性控制器的恒壓充電閾值為 30V。正向偏置中的 TLV431 提供適當(dāng)?shù)?PNP 發(fā)射極-柵極偏置電壓，并為 COMP 引腳補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)充電。降壓/升壓控制器的反向電流為零，儲(chǔ)能電壓保持在 30V 的恒定值。

結(jié)果

為了驗(yàn)證為 MODE 引腳和 COMP 引腳設(shè)計(jì)的控制器的精度和準(zhǔn)確度，我們對(duì) LM5177 降壓/升壓控制器評(píng)估模塊 進(jìn)行了測(cè)試。圖 5 和圖 6 中的結(jié)果顯示，在 MODE 引腳控制下，儲(chǔ)能元件從恒流充電平穩(wěn)過(guò)渡到恒壓充電。設(shè)計(jì)的電路將儲(chǔ)能元件的充電電壓穩(wěn)定在 30V 左右。在 MODE 引腳處進(jìn)行調(diào)節(jié)期間，從 fPWM 模式和 PSM 模式之間的轉(zhuǎn)換可以看出，MOSFET 的開(kāi)關(guān)延遲造成的遲滯很小。這會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能元件的充電電壓出現(xiàn)較小的紋波。此外，為了克服降壓/升壓控制器的內(nèi)部低壓保護(hù)，還為儲(chǔ)能元件提供了 7.5V 的初始偏置電壓。根據(jù)降壓/升壓控制器的平均電流限制功能，將恒壓充電階段的充電電流限制為 2.5A。這為儲(chǔ)能元件提供了額外的充電保護(hù)，并可控制充電電流。

圖 5 具有遲滯控制功能的恒壓充電示波器圖

圖 6 放大遲滯控制效果的恒壓充電放大圖

圖 7 具有線性控制功能的 CV 充電圖

圖 8 放大線性控制效果的 CV 充電圖

圖 7 和圖 8 顯示了 COMP 引腳控制的結(jié)果。結(jié)果證實(shí)，COMP 引腳控制可分別在 30V 和 1V 電壓下準(zhǔn)確調(diào)節(jié)儲(chǔ)能電壓和 COMP 引腳電壓。此外，示波器圖還顯示，在恒流和恒壓過(guò)渡區(qū)域之間的 COMP 引腳處有一個(gè)電壓尖峰。為了克服這一電壓尖峰，需要在設(shè)計(jì)的線性電壓控制器中加入一個(gè)更高階的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。此外，示波器圖還顯示，儲(chǔ)能元件的初始偏置電壓設(shè)置為 3.4V，以克服降壓/升壓控制器的內(nèi)部低壓保護(hù)閾值。